Магистраль передачи данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание объекта

2. Выбор подхода к моделированию

3. Построение имитационной модели объекта

4. Выбор программных средств

5. Машинные эксперименты

6. Обработка результатов моделирования

Выводы

Перечень ссылок

Введение

Во всех сферах современной жизни широко используются вычислительные системы, важными элементами которых являются каналы передачи данных, обеспечивающие связь основных элементов. К требованиям, которые могут предъявляться к устройствам передачи информации, относятся: скорость, максимально возможное расстояние между источником и приемником, уровень обеспечения целостности и безопасности информации во время передачи по каналу, типы передаваемой информации и др.

Активно каналы передачи данных используются в различных вычислительных систем. В большинстве ситуаций, при проектировании и создании вычислительных систем, для определения их характеристик и анализа работы, необходимо проводить большое количество всевозможных экспериментов. Но экспериментирование с реальными системами не является рациональным решением с точки зрения объема работ и материальных трат. Также это не является возможным, если система еще не создана, а находится на этапе разработки, и перед создателями стоит проблема выбора наилучшего варианта с учетом каких-либо ограничений. Именно для этого и используется математическое моделирование.

Одним из видов математического моделирования является имитационное моделирование, с помощью которого мы и будем проектировать систему передачи информации, точнее - магистраль передачи данных, при помощи персонального компьютера и определенного пакета программ.

1. Описание объекта

Объектом исследования является магистраль передачи данных, которая состоит из двух каналов передачи данных (основного и резервного) и общего накопителя. При нормальной работе сообщения передаются по основному каналу за 7±3 секунды. В основном канале происходят сбои через интервалы времени 200±35 секунд. Если сбой происходит во время передачи, то за 2 секунды запускается запасной канал, который передает прерванное сообщение с самого начала. Восстановление основного канала занимает 23±7 секунд. После восстановления резервный канал выключается и основной канал продолжает работу с очередного сообщения. Сообщения поступают в систему через 9±4 секунды и остаются в накопителе до окончания передачи. В случае сбоя, прерванное сообщение передается повторно по запасному каналу. Требуется смоделировать работу магистрали передачи данных в течении 1 часа. Определить загрузку запасного канала, частоту отказов канала и число прерванных сообщений. Определить функцию распределения времени передачи сообщений по магистрали.

Иными словами, в магистрали передачи данных, состоящей из двух каналов, сообщения передаются по основному каналу, в котором, в определенное время происходит сбой, и прерванное сообщение передается с самого начала по запасному каналу, в то время как основной восстанавливается. Структурная схема данного объекта представлена ниже.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1 Структурная схема магистрали передачи сообщений

2. Выбор подхода к моделированию

Как уже было сказано ранее, математическая модель, как и всякая другая, описывает реальный объект только с некоторой степенью приближения к действительности. Математическое моделирование для исследования характеристик процесса функционирования систем можно разделить на аналитическое, имитационное[5].

Для аналитического характерно то, что процессы функционирования элементов системы описываются в виде некоторых функциональных отношений или логических условий. Аналитическая модель может быть исследована аналитическими и численными методами.

Моделирование в настоящее время производится при помощи ЭВМ, для чего используются моделирующие алгоритмы, что относится к имитационному моделированию систем. Реализующий алгоритм воспроизводит процесс функционирования системы S во времени, причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени, что позволяет по исходным данным получить сведения о состояниях процесса в определенные моменты времени, дающие возможность оценить характеристики системы. Основным преимуществом имитационного моделирования по сравнению с аналитическим является возможность решения более сложных задач, с учетом дискретных и непрерывных элементов, нелинейных характеристик и многочисленных случайных воздействий.

Так как целью проекта является построение модели системы массового обслуживания, целесообразно использовать метод имитационного моделирования. Судя по характеру процессов, происходящих в системе, будем использовать имитационную модель непрерывно-стохастического типа на основе Q-схемы[6].

Исходной информацией при построении математической модели процессов функционирования систем служат данные о назначении и условиях работы исследуемой системы. Эта информация обуславливает требования к разрабатываемой математической модели и позволяет определить основную цель моделирования.

В зависимости от вида происходящих в системе процессов, различают детерминированное и стохастическое, дискретное и непрерывное, статическое и динамическое моделирование.

Данная система относится к системам массового обслуживания. Характерным для работы объектов таких систем является случайное появление заявок на обслуживание в случайные моменты времени.

Судя по характеру процессов, происходящих в системе, будем использовать имитационную модель непрерывно-стохастического типа на основе Q-схемы, основными параметрами которой являются количество каналов, накопителей, и емкость каждого накопителя.

3. Построение модели объекта

Построение имитационной модели на базе Q-схемы

Q-схема модели системы изображена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Q-схема модели

На схеме обозначено:

? И1 - источник сообщений;

? И2 - источник сбоев;

? Н - общий накопитель;

? К1 - основной канал передачи сообщений;

? К2 - запасной (дополнительный) канал передачи сообщений.

Сообщения генерируются источником И1 и поступают в накопитель Н, где остаются до окончания передачи. Далее происходит проверка занятости канала К1. Если канал передачи занят, то сообщение ожидает, пока канал освободится, - уже после осуществляется передача. В это время генерируется сбой в основном канале, и если таковой происходит, по передача сообщение прерывается, включается дополнительный канал К2 и происходит передача с самого начала по запасному каналу. После восстановления, канал К1 снова возобновляет работу, а канал К2 блокируется.

Указанные на схеме блокираторы блокируют основной канал в то время, когда по нему осуществляется передача сообщения, и в то время, когда он восстанавливается. Второй блокиратор активирует за 2 секунды дополнительный канал во время сбоя в основном канале. Оба блокиратора меняют состояние под воздействием генератора сбоев.

4. Выбор программных средств

Выбор языка программирования

Важным моментом в процессе моделирования является удачный выбор языка пакета программ моделирования. Основными требования к языкам являются: удобство описания моделируемого процесса, удобство ввода данных, внесение изменений в структуру и параметры модели, а также методы отображения и анализа результатов. Для решения задачи моделирования могут использоваться языки общего назначения и языки имитационного моделирования[5].

Языки общего назначения отличаются универсальностью, и используются сейчас в основном для написания других пакетов программ. Можно назвать следующие языки этого класса: C, C++, C#, Fortran, Delphi, Pascal и ряд других. Эти языки очень редко используются в имитационном моделировании, потому что тут их заменяют ориентированные на моделирование: GPSS, GPSS World, Simula, MIMIC, Dynamo и другие.

Основным достоинством языков имитационного моделирования перед языками общего назначения является удобство программирования различных моделей и методов их исследования. Различаются они по методу формирования системного времени и делятся на непрерывные, дискретные и непрерывно-дискретные. Все зависит от характера происходящих в моделируемой системе процессов[5].

При создании имитационной модели была использована Q-схема. На работу с Q-схемами при машинной реализации моделей ориентированы многие языки имитационного моделирования. Основными можно считать SIMSCRIPT, SIMULA, GPSS. Исходя из экспертных оценок при моделировании широкого класса систем, можно определить возможности языка, простоту его использования и предпочтение пользователя. Рассмотрим таблицу 4.1.

Таблица 4.1 Результаты экспертного оценивания

магистраль сообщение алгоритм программа

Учитывая то, что по простоте использования на первом месте находится система GPSS, ориентированная на описание процессов функционирования дискретных объектов типа «СМО» на базе Q-схем, а также то, что возможностей этого языка для решения поставленной задачи моделирования вполне достаточно, будем использовать язык имитационного моделирования GPSS World Student Version 5.2.2

Построение программного алгоритма

Разработку алгоритма программы будем создавать, используя элементы блок-схем программы GPSS, для обеспечения простоты переноса элементов алгоритма в код программы. Блок-схема модели магистрали передачи сообщений представлена на рисунке 4.1

Рисунок 4.1 Схема алгоритма, моделирующего систему

Код программы, составленный по данному алгоритму, приведен в приложении А.

5. Машинные эксперименты

Применяя системный подход к проблеме планирования машинных экспериментов с моделями систем, можно выделить две составляющие планирования: стратегическое и тактическое [5].

Стратегическое планирование ставит своей целью решение задачи получения необходимой информации о системе с помощью модели, реализованной на ЭВМ, с учетом ограничений на ресурсы, а тактическое планирование представляет собой определение способа проведения каждой серии испытаний машинной модели, предусмотренных планом эксперимента.

По методу тактического планирования составим план проведения машинного эксперимента для решения поставленной задачи моделирования системы.

Для начала определим необходимое число реализаций с выполнением условий заданной точности и достоверности результатов моделирования. В данном случае для оценки необходимого числа реализаций воспользуемся следующим выражением:

, (5.1)

где ? необходимое количество реализаций модели;

? заданная погрешность вычислений;

среднеквадратическое отклонение;

? показатель достоверности данных;

? табличный коэффициент, определяемый заданной достоверностью.

Поскольку, среднестатистическое отклонение нам не известно, проведем пять повторных испытаний для получения результатов вычисления:

? загрузки запасного канала (AVARAGE UTILIZATION KANAL_A),

? частоты отказов основного канала (отношение количества прерванных сообщений к общему количеству переданных)

? количества прерванных сообщений (переменная SBOY).

После чего проведем оценку точности полученных значений.

Результаты проведенных испытаний содержатся в таблице 5.1.

Таблица 5.1 Результаты испытаний

Математическое ожидание загрузки резервного канала вычисляется по формуле:

, (5.2)

где - значение загрузки резервного канала при i-том эксперименте.

Дисперсия загрузки дополнительного канала находится по формуле:

(5.3)

Математическое ожидание частоты отказов дополнительного канала рассчитывается по формуле:

, (5.4)

где - значение частоты отказа при i-том эксперименте.

Дисперсия частоты отказов запасного канала находится по формуле:

(5.5)

Математическое ожидание числа прерванных сообщений вычисляется:

, (5.6)

где - количество прерванных сообщений при i-том эксперименте.

Дисперсия количества прерванных сообщений находится по формуле:

(5.7)

Формулу для оценки точности можно выразить из выражения 5.1:

(5.8)

Подставив в формулы 5.2 - 5.7 значения из таблицы 5.1, вычислим значения вероятностных характеристик процесса по измеренным величинам:

Найдем значения погрешностей, подставив значения дисперсии в формулу 5.8:

По полученным оценкам видно, что погрешности меньше заданного значения, а это значит, что результаты моделирования корректны, система отвечает требованиям заданной точности.

6. Обработка результатов моделирования

В процессе моделирования требуется определить загрузку запасного канала, частоту отказов канала и число прерванных сообщений, а также функцию распределения времени передачи сообщений по магистрали, состоящей из общего накопителя и двух каналов.

Были получены следующие результаты моделирования:

1) Количество прерванных сообщений равняется ? 18;

2) Сбой в основном канале происходит с частотой ? 0,045, то есть, примерно каждые 4,5% общего времени моделирования;

3) Загрузка дополнительного канала равна ? 3,4%.

Судя по полученным значениям, можно провести оценку работы системы. Количество прерванных сообщений зависит от частоты сбоев в основном канале, значение которой не принимает большой величины, что, в принципе, можно считать нормальным для данной системы. Загрузка запасного канала невелика, что, при возможности увеличения времени передачи прерванных сообщений, позволит понизить технические характеристики канала, тем самым увеличить загрузку и уменьшить время простоя.

Для функции распределения времени передачи сообщения по магистрали был определен интервал времени:

- время передачи сообщения по каналу занимает 7±3 секунды (4 - 10 сек.);

- время передачи сообщения по магистрали с учетом сбоя, занимает 7±3 по основному каналу, 2 сек. задержки на включение запасного канала и время передачи по нему - 7±3 сек. (10 - 22 сек.);

- время ожидания сообщением в очереди при передаче одного сообщения по запасному каналу и восстановлении основного канала после сбоя в этот же момент - 23±7 сек. (26 - 52 сек.).

То есть, минимальное время передачи - 4 секунды, максимальное, при длительном ожидании в очереди - 52 секунды.

Функция распределения времени представлена на рисунке 6.1, а полученные значения в таблице 6.1.

Рис. 6.1 Функция распределения времени передачи сообщений по магистрали

Таблица 6.1 Значения времени передачи сообщений по магистрали

Остальные частоты являются нулевыми, что доказывает правильность определения интервала распределения времени.

Выводы

В процессе выполнения этой курсовой работы была исследована специализированная вычислительная система передачи данных. С помощью средств имитационного математического моделирования была создана модель системы на языке GPSS World.

В результате моделирования были получены результаты, характеризующие работу системы во времени - частота отказов основного канала и количество прерванных сообщений. Была найдена загрузка дополнительного канала. Все полученные значения отвечают заданной точности вычислений, не превышают заданную погрешность.

Проанализировав результаты экспериментов, можно сказать, что система функционирует не столь корректно. Связано это с большим временем простоя запасного канала. Можно проводить дальнейшие исследования данной модели с целью получения более точных параметров и характеристик системы путем различных изменений во входных данных, или же в изменениях технических характеристик системы, например, скорости передачи информации по каналу и время его беспрерывной работы. Можно улучшить качество работы данной системы, если вероятность появления сбоев в основном канале понизить до минимума или повысить скорость его восстановления путем изменения составляющих элементов. Если сбои будут происходить редко, то потребность в дополнительном канале пропадает, тем самым уменьшаются затраты на создание и обслуживание системы.

Перечень ссылок

1. ГОСТ 19.402-78 “Описание программы”.

2. ДСТУ 3008-95 “Документація. Звіти в сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення”.

3. Кудрявцев Е.М. GPSS World. Основы имитационного моделирования различных систем. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 320 с.

4. Методичні вказівки до курсової роботи з дисциплін "Моделювання систем" для студентів спеціальності 7.080401 - "Інформаційні управляючі системи та технології" і "Математичне моделювання" для студентів спеціальності 7.091401 - "Системи управління та автоматики" /Упоряд.: В.В.Безкоровайний, Н.Г.Бурко. - Харків: ХТУРЕ, 2000. - 28 с.

5. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. - М.: Высш. шк., 1985. - 271 с.

6. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Курсовое проектирование. - М.: Высш. шк., 1988. - 135 с.

7. Томашевский В.М. Моделювання систем. - К.: Видавнича група BHV, 2005. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru